“碳”疑解惑

葉利群

摘 要：在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，很多學(xué)生和部分一線教師對(duì)碳原子、單質(zhì)及其化合物的一些知識(shí)存在困惑與誤區(qū)，現(xiàn)歸納整理并解析如下，希望對(duì)高中生的學(xué)習(xí)有所幫助。

關(guān)鍵詞：碳原子；碳單質(zhì)；碳化合物；原子晶體；還原性；熱穩(wěn)定性

一、碳原子

誤區(qū)1：碳原子由質(zhì)子、中子和電子構(gòu)成，則碳原子的質(zhì)量一定大于質(zhì)子與中子的質(zhì)量之和。

解析：一個(gè)碳-12原子中有6個(gè)質(zhì)子6個(gè)中子，還有6個(gè)電子。按理來(lái)說(shuō)，碳原子的質(zhì)量應(yīng)該大于其所含質(zhì)子與中子的總質(zhì)量，但事實(shí)卻截然相反，原因是質(zhì)子和中子在結(jié)合成原子核時(shí)會(huì)釋放出能量，正因?yàn)榉懦瞿芰?，按照?ài)因斯坦的質(zhì)能方程E=mc2，碳原子的質(zhì)量便出現(xiàn)了虧損。

二、碳單質(zhì)

誤區(qū)1：碳納米管是由石墨中的碳原子層卷曲而成的管狀材料，則石墨轉(zhuǎn)變?yōu)樘技{米管是物理變化。

解析：石墨為層狀結(jié)構(gòu)，每一層均為平面結(jié)構(gòu)，原因是碳原子都是SP2雜化，鍵角為120度。碳納米管具有彎曲的管狀結(jié)構(gòu)，其中有一部分碳原子是SP3雜化。因此它們結(jié)構(gòu)不同，是兩種不同的物質(zhì)，所以由石墨轉(zhuǎn)化為碳納米管是化學(xué)變化。

誤區(qū)2：石墨烯是平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不是立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不是原子晶體。

解析：石墨烯中只有共價(jià)鍵，熔沸點(diǎn)高，雖是一種二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但也是原子晶體。

誤區(qū)3：工業(yè)上冶煉硅利用反應(yīng)：C+SiO2=Si+2CO，則還原性：C>Si。

解析：C與Si是同主族元素，C的原子半徑小于Si的原子半徑，得電子能力更強(qiáng)，失電子的能力更弱，所以還原性碳小于硅。這個(gè)反應(yīng)能夠發(fā)生，原因是生成物中的CO氣體離開(kāi)反應(yīng)體系后，反應(yīng)可以不斷向右進(jìn)行。

三、碳化合物

誤區(qū)1：S的非金屬性大于C，H2S的熱穩(wěn)定性高于CH4。

解析：非金屬氫化物的熱穩(wěn)定性不但與元素的非金屬性強(qiáng)弱有關(guān)，還跟氫化物的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。CH4分子為正四面體結(jié)構(gòu)，很穩(wěn)定。C原子以還原雜化處在正四面體中心位置，4個(gè)H位于正四面體的4個(gè)頂點(diǎn)，這導(dǎo)致CH4分子中C-H鍵很難斷開(kāi)，從而導(dǎo)致甲烷熱穩(wěn)定性很高。事實(shí)上，H2S的分解溫度比CH4低很多，熱穩(wěn)定性比CH4差很多。

誤區(qū)2：直餾汽油與裂化汽油可用酸性高錳酸鉀溶液鑒別

解析：直餾汽油中含有7～11個(gè)C原子的烴類，通常含有芳香烴，而芳香烴分子中只要與苯環(huán)直接相連的碳原子上有氫原子，就可以使酸性高錳酸鉀溶液褪色。裂化汽油中含有烯烴，也可以使酸性高錳酸鉀溶液褪色，所以二者不可以用酸性KMnO4溶液鑒別。

誤區(qū)3：乙醇與濃硫酸共熱至170℃制乙烯的實(shí)驗(yàn)中，混合液變黑，是濃硫酸的脫水性引起的。

解析：濃硫酸有很強(qiáng)的吸水性、脫水性和強(qiáng)氧化性。在濃H2SO4作用下，如果乙醇發(fā)生分子內(nèi)脫水，得到的是CH2=CH2；如果乙醇發(fā)生分子間脫水，得到的是C2H5OC2H5?；旌弦鹤兂珊谏?，說(shuō)明有碳生成，而通過(guò)乙醇脫水不可能得到碳。C2H5OH中C元素的平均價(jià)態(tài)是-2，碳元素從-2上升到0價(jià)，被濃硫酸氧化導(dǎo)致。所以混合液變黑，是由濃硫酸的強(qiáng)氧化性引起的。

誤區(qū)4：SiCl4可以發(fā)生水解，CCl4也可以發(fā)生水解。

解析：Si原子與四個(gè)氯原子形成共價(jià)鍵后，Si原子還有5個(gè)3d空軌道，能同H2O配位。而C原子與四個(gè)氯原子形成共價(jià)鍵后，C原子沒(méi)有了空軌道，不能與H2O形成配位鍵，所以CCl4不能水解。

誤區(qū)5：葡萄糖分子中有醛基，果糖分子中沒(méi)有醛基，二者可用銀氨溶液來(lái)鑒別。

解析：果糖為多羥基酮，分子中不含有醛基，看上去不可能發(fā)生銀鏡反應(yīng)，但事實(shí)上卻可以。原因是在堿性溶液中果糖有一部分會(huì)自發(fā)地轉(zhuǎn)化為葡萄糖，因此果糖的水溶液也可以發(fā)生銀鏡反應(yīng)。鑒別它們既不能用銀氨溶液也不能用新制氫氧化銅懸濁液，可以采用溴水，能使溴水褪色的為葡萄糖，反之為果糖。

誤區(qū)6：淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)是高溴的分子化合物，而化合物屬于純凈物，所以淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)是純凈物。

解析：課本上講淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)是高分子化合物時(shí)，研究對(duì)象為單個(gè)分子。因?yàn)閱蝹€(gè)分子的相對(duì)分子質(zhì)量很大，所以稱之為高分子。淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)不屬于純凈物，而是屬于混合物，研究的對(duì)象是宏觀物質(zhì)。因?yàn)榈矸邸⒗w維素、蛋白質(zhì)這三種物質(zhì)都是由許許多多分子構(gòu)成的，而每個(gè)分子的聚合度卻不固定，所以他們是混合物。

誤區(qū)7：烯醛分子中C=C的檢驗(yàn)不可以用溴水，也不可以用溴的四氯化碳。

解析：C=C與溴水發(fā)生加成反應(yīng)，-CHO可被溴水中的次溴酸HBrO氧化為-COOH，二者都能使溴水褪色，所以不可用溴水。C=C可與溴的四氯化碳反應(yīng)，但-CHO不能，所以可直接用溴的四氯化碳來(lái)檢驗(yàn)C=C。

誤區(qū)8：苯的分子式為C6H6，不飽和度為4，屬于不飽和烴。

解析：烴可以分為脂肪烴和芳香烴，它們的區(qū)別在于是否含有苯環(huán)。而脂肪烴又可分為飽和烴與不飽和烴，它們的區(qū)別在于是否含有雙鍵或三鍵。很顯然苯不屬于脂肪烴，雖不飽度是4，但不屬于不飽和烴。

編輯 薄躍華